автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Моделирование и исследование индукционных систем для плавки металлов в проводящих и непроводящих тиглях

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

Позняк Игорь Владимирович

УДК 621.365.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ В ПРОВОДЯЩИХ И НЕПРОВОДЯЩИХ

ТИГЛЯХ

Специальность: 05.09.10 - Электротермические процессы и установки

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., доцент Демидович В.Б.

Санкт-Петербург -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................... 6

1. ИНДУКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................. 15

1.1. Конструкции и условия работы индукционных систем для плавки металлов........................................................................ 15

1.1.1. Индукционная тигельная печь....................................... 17

1.1.2. Индукционная канальная печь...................................... 21

1.2. Анализ методов моделирования индукционных печей для плавки металлов....................................................................... 26

1.2.1. Методы расчета на основе магнитных схем замещения...................................................................... 27

1.2.2. Аналитические методы расчета.................................... 28

1.2.3. Цифровые модели расчета электромагнитных полей индукционных устройств............................................... 29

1.2.4. Комплексные модели..................................................... 33

1.3. Выводы по главе....................................................................... 34

2. ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ (САПР ИТП)................................................................... 35

2.1. Структура, принципы построения и алгоритм работы САПР

ИТП........................................................................................... 35

2.1.1. Расчетная подсистема САПР......................................... 38

2.1.2. Методическое обеспечение САПР ИТП......................... 40

2.1.3. Информационное обеспечение САПР ИТП.................... 42

2.2. Одномерная электротепловая модель ИТП............................. 45

2.3. Электротепловая модель ИТП в двухмерной постановке....... 53

2.3.1. Вариационная формулировка метода конечных элементов.......................................................................... 57

2.3.2. Выбор типа конечного элемента..................................... 59

2.3.3. Метод решения системы линейных уравнений.............. 60

2.2.4. Верификация модели....................................................... 67

2.4. Выводы по главе...................................................................... 72

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ С ПРОВОДЯЩИМ ТИГЛЕМ........................................................ 63

3.1. Исследование влияния проводящего тигля на распределенные параметры ИТП............................................ 75

3.2. Исследование работы ИТП с проводящим тиглем для различного уровня загрузки тигля и сложной схемы включения индуктора.............................................................. 89

3.3. Исследование магнитогидродинамических эффектов в расплаве.................................................................................... 99

3.4. Выводы по главе...................................................................... 105

4. РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ИТП И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ В РЕЖИМЕ ВЫДЕРЖКИ И РАЗЛИВКИ...................................... 106

4.1. Разработка электромагнитной модели ИТП в трехмерной

постановке................................................................................ 106

4.1.1. Постановка задачи............................................................ 108

4.1.2. Вариационная формулировка метода конечных элементов.......................................................................... 111

4.1.3. Конечно-элементная формулировка................................................................112

4.1.4. Минимизация функционала..........................................................................................117

4.1.5. Граничные условия и источники..........................................................................121

4.1.6. Расчет интегральных параметров системы..........................................124

4.1.7. Верификация модели............................................................................................................125

4.1.8. Структура и алгоритм работы математической модели

ИТП в трехмерной постановке............................................................................128

4.2. Исследование изменения интегральных параметров индукционной системы в режиме разливки и выдержки металла..........................................................................................................................................................................131

4.2.1. Расчет тепловых потерь......................................................................................................136

4.2.2. Исследование интегральных параметров ИТП..............................139

4.3. Выводы по главе............................................................................................................................................145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................................147

Библиографический список использованной литературы..........................148

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................................................................................157

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

БД - база данных

ГУ - граничные условия

ИО - информационное обеспечение

ИКП - индукционная канальная печь

ИТП - индукционная тигельная печь

КМ - комбинированный метод

КО - количество операций

МИУ - метод интегральных уравнений

МКР - метод конечных разностей

МКЭ - метод конечных элементов

МСГ - метод сопряженных градиентов

РС - персональный компьютер

САПР - система автоматизированного проектирования

СЛУ - система линейных уравнений

СУБД - система управления базой данных

ПВР - метод последовательных верхних релаксаций

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭМП - электромагнитное поле

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время особенно актуальным являются проблемы совершенствования технологий, разработки новых конструкций оборудования, автоматизации производства, направленные на повышение качества продукции, экономии энергетических и материальных ресурсов, экологическую чистоту процессов.

Многочисленные технико-экономические исследования показали ошибочность первоначально существовавшей точки зрения о низкой энергетической эффективности электротермических процессов из-за двойного преобразования энергии и связанных с этим потерь по сравнению с топливными видами нагрева. Говоря об эффективности электротермической технологии анализ должен базироваться на понятии сквозной энергоемкости продукта, учитывающий кроме непосредственно потребляемой энергии, снижение материальных и соответствующих энергетических затрат.

Переход на электронагрев, как правило, позволяет экономить первичное сырье и энергию, сокращать трудоемкость продукции при улучшении качества продукта, уменьшении брака, числа дополнительных операций и уменьшении отрицательного воздействия технологических процессов на окружающую среду. Кроме того, индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, таких как более высокий КПД, более экономичное использование деформирующего оборудования, гибкость в управлении, в том числе при пуске, останове, смене номенклатуры изделий и т.п.

Изменение энергетической ситуации в мире повысило роль электротермии в стратегии энергетического выбора. А общий итог анализа современного состояния индукционного нагрева свидетельствует о его возрастающей роли в техническом прогрессе и больших перспективах его применения в металлургическом производстве.

Принимая во внимание рост количества и единичных мощностей производственных индукционных модулей, связанный с расширением использования индукционного метода плавки металла, создание новых технологических линий, основанных на непрерывном процессе производства, а также высокую энергоемкость процессов, важное значение приобретает поиск энергетически эффективных режимов и конструкций индукционного плавильного оборудования.

Среди большого разнообразия электротермических установок, широко применяющихся в различных отраслях техники, особое место занимают индукционные плавильные печи. Мощности наиболее крупных из них достигают десятков тысяч киловатт и продолжают расти.

Одним из основных путей совершенствования электротермического оборудования является интенсификация процессов нагрева и плавления. Скорость нагрева имеет большое значение для повышения эффективности оборудования. Тепловые потери прямо пропорциональны времени нагрева, поэтому, чем короче цикл, тем выше КПД. Ускорение нагрева повышает производительность агрегата и, следовательно, производительность труда, так как численность персонала при этом не увеличивается. Уменьшаются относительные габариты агрегата и удельные капитальные затраты, увеличивается объем продукции с 1м2 площади, кроме того, при сокращении времени нагрева металла в открытых печах улучшается качество выплавляемого металла. Для решения задач интенсификации

процессов нагрева требуется комплексный подход, поскольку плавильный агрегат прежде всего является звеном в производственной цепи и от того, насколько он удовлетворяет технологическим требованиям, экономичен, гибок в управлении, автоматизирован, механизирован, надежен в эксплуатации, зависят показатели всего технологического процесса [1,2].

Применение технологий с использованием индукционных тигельных печей для плавки цветных и черных металлов обладает рядом преимуществ перед другими видами плавильного оборудования (высокое качество получаемого металла и стабильность его свойств, возможность использования дешевого сырья, малый угар металла и легирующих элементов, высокая производительность, возможность полной автоматизации производства уменьшение отрицательного воздействия технологических процессов на окружающую среду и т.д.). Поэтому, плавка практически всех медных сплавов, цинка, жаропрочных сплавов и сплавов сопротивления производится в индукционных печах как открытых, так и вакуумных. В ИТП в большом объеме осуществляется плавка алюминиевых сплавов для фасонного литья. Химические и физические свойства магния, такие как, агрессивная среда в сочетании с низким удельным сопротивлением и малой плотностью, также определяет технологию производства сплавов на основе магния с использованием индукционных тигельных печей.

Сложные магнитодинамические и гидродинамические процессы, происходящие в расплавленном металле предъявляют жесткие требования к сведению к минимуму ошибок при проектировании и создании нового оборудования. Однако, проведение натурных экспериментов затруднено вследствие больших мощностей плавильных установок, сложности конструкций и широкого спектра требований к плавильному агрегату таких

как: выплавка металла с наименьшими затратами энергии; выплавка определенного количества металла; получение расплава с определенным химическим составом; поддержание определенного уровня температуры. Поэтому, качественное проектирования ИТП наиболее эффективно при использовании математического моделирования физических процессов, происходящих в индукционных плавильных устройствах. При этом необходимо решать совместную задачу моделирования тепловых, электромагнитных и гидродинамических полей с учетом нелинейности физических свойств материалов. Для проектирования и исследования ИТП необходим пакет проблемно-ориентированных программных средств, включающий эффективные математические модели, позволяющие моделировать тепловые, электромагнитные и гидродинамические поля с учетом неоднородности и нелинейности свойств материалов, а также сложных схем включения индукторов (внешней цепи), которые до настоящего времени отсутствовали

Значимость и актуальность решения задач по разработке необходимого программного обеспечения и исследования работы ИТП определило цели настоящей работы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание проблемно-ориентированного программного комплекса, предназначенного для исследования и проектирования индукционных тигельных печей для плавки металлов на основе разработки комплексных математических моделей с учетом неоднородности и нелинейности свойств материалов, а также сложных схем включения индуктора (внешней цепи).

Исследование и разработка ИТП с проводящим тиглем и учетом сложной схемы включения индуктора.

Исследование режимов работы ИТП с керамическим тиглем при изменении формы расплавленного металла в режиме разливки или выдержки металла.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработка проблемно-ориентированных моделей индукционных тигельных печей и исследование электромагнитных и температурных параметров этих устройств проводилась методами математической физики, вычислительной математики, теории индукционного нагрева. Для проверки влияния допущений, принятых при расчетах, использовался метод физического моделирования.

Достоверность полученных результатов определялась путем параллельных расчетов различными методами в том числе с использованием коммерческих пакетов и сравнением расчетных результатов с экспериментальными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработан комплекс математических моделей для исследования ИТП, который включает в себя двухмерную электротепловую модель ИТП с учетом неоднородности и нелинейности свойств материалов, а также сложной схемы включения индуктора (внешней цепи), трехмерную проблемно-ориентированную электрическую модель ИТП.

2. Исследованы режимы работы ИТП с проводящим тиглем и сложной схемой включения обмоток индуктора.

3. Исследованы режимы работы ИТП с учетом наклона тигля. Определены закономерности изменения интегральных и распределенных электромагнитных параметров ИТП в режиме разливки и выдержке металла.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс, позволяющий увеличить производительность труда проектировщиков, сократить время проектирования и повысить технико-экономический уровень создаваемого оборудования.

2. Разработан комплекс программных средств, позволяющих моделировать и исследовать электромагнитные и тепловые процессы в системе ИТП с учетом многоконтурной схемы включения индуктора для систем с проводящим, в том числе и ферромагнитным, и непроводящим тиглем.

3. Выработаны рекомендации по выбору оптимального режима настройки печного контура при технологическом процессе работы ИТП для плавки магния.

4. Определены интегральные и распределенные электромагнитные параметры ИТП с учетом трехмерных эффектов.

5. Выработаны рекомендации по выбору режимов работы ИТП в процессе разливки и выдержки металла.

Полученные научные результаты используются и внедрены в конструкторские и проектные работы ВНИИЭТО «Разработка и внедрение САПР ИТП», Всероссийского института легких сплавов «Моделирование, исследование и оптимизация индукционных устройств для нагрева и плавки легких сплавов» и «Разработка проекта индукционной плавильной печи и индукционной ванны покрытия стальной полосы цинковым или алюминиевым расплавом»), АОЗТ СПЛАВ Кировский завод «Обследование электрических режимов работы установок печей ИЛТ-10 и ИЛТ-2.5»

Разработанные программы и алгоритмы по исследованию режимов работы ИТП используются в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом Университете при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе по курсам «Моделирование ЭТУ», «Промышленные электрические печи» и «САПР АЭТУС», о чем свидетельствуют соответствующие акты.

Достоверность научных и практических положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментов, а также результатами исследований и внедрения.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Международном симпозиуме «Научные проблемы высокочастотной электротехнологии» (Санкт-Петербург, 1994), на 40-ом Международном коллоквиуме Политехнического института г. Ильменау (Ильменау, Германия, 1995), на Международном семинаре по индукционному нагреву - Ш8-98 (Падуа, Италия, 1998), на третьей Ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 1998), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ (1988-1998).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано шесть научных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста. Работа содержит 47 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ определена проблема и показана актуальность ее решения, сформулирована цель работы, перечислены основные теоретические и практические результаты работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

ПЕРВАЯ ГЛАВА. В первом разделе диссертационной работы рассматриваются конструкции и условия работы ИТП с проводящим и непроводящим тиглем для плавки металлов, а также специфика и общая характеристика методов их расчета и анализа.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке структуры и алгоритму работы проблемно-ориентированного комплекса для проектирования и